JP3605367B2 - レーザ計測方法及びレーザ計測システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ計測方法及びレーザ計測システムに関し、特にごみ焼却炉、ボイラ等（以下、燃焼炉という。）の低公害化（低ＮＯｘ化、低ダイオキシン化）に資するべく、燃焼炉内の温度や、ＣＯ，Ｏ２ 等の各種ガス濃度を監視する場合に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼炉の低公害化（低ＮＯｘ化、低ダイオキシン化）には、燃焼炉内の温度、ＣＯ，Ｏ２ 等の各種ガス濃度を監視し、燃焼空気比等の制御を行う必要がある。レーザ光を燃焼雰囲気に照射して、燃焼炉内の温度、ＣＯ，Ｏ２ 等の各種ガス濃度を検出する好適な手法としてレーザ吸収法が知られている。これは、ガスが存在する空間をレーザ光が通過した場合、このレーザ光の光路に存在するガスの分子・原子によりレーザ光が吸収されることを利用するものであり、その吸収量を計測することにより光路上の平均濃度を求めるとともに、炉内に照射するレーザ光の波長を変化させて各波長に対応する吸収スペクトルのパターンを検出することにより平均温度を求めるものである。このため、レーザ光源から燃焼炉内の燃焼雰囲気を構成するガス中に照射してこのガス中を透過したレーザ光をレーザ光検出手段により検出し、このレーザ光検出手段の出力信号を分析・演算して上記平均濃度及び平均温度のデータを得るシステムを構築している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ吸収法による上述の如き従来技術に係るレーザ計測システムでは、振動及び燃焼器の熱伸び等に起因するレーザ光の光学系のズレを生起する結果、長期にわたる安定性及び信頼性に欠けるものとなっていた。また、近年、燃焼器内の多点において、しかも可及的にシステムのコストを高騰させることなくガス濃度及び温度を計測したいという要望が強まっている。
【０００４】
本発明は、上記従来技術に鑑み、レーザ吸収法による燃焼ガスの温度及び濃度の測定に際し、測定用レーザ光の光軸とレーザ光検出手段との相対的な位置関係を常に一定に保持することができるとともに、一個のレーザ光源及びレーザ光検出手段で複数本のレーザ光による複数点の計測を行い得る低廉なレーザ計測システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。
【０００９】
１）燃焼炉の内部に向けて測定用レーザ光を照射するレーザ光源と、上記燃焼炉の内部のガスを透過した上記測定用レーザ光を検出するレーザ光検出手段と、このレーザ光検出手段の出力信号を処理することにより上記ガスの濃度等を検出する演算処理手段とを有するレーザ計測装置において、
燃焼炉に対して上記レーザ光源の反対側に配設したハーフミラーと、
このハーフミラーで反射され、再度燃焼炉の内部のガスを透過した測定用レーザ光を検出するよう、燃焼炉に対して上記レーザ光源と同じ側に配設したレーザ光検出手段と、
上記演算処理手段で所定の処理をしている間に、上記レーザ光源から出射する測定用レーザ光の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光を照射するパルスレーザ光源と、
上記パルスレーザ光のうちハーフミラーを透過するパルスレーザ光を受光して上記光軸の位置を検出する第１の位置検出センサと、
上記パルスレーザ光のうちハーフミラーで反射されたパルスレーザ光を、上記パルスレーザ光源と同じ側で受光して上記光軸の位置を検出する第２の位置検出センサと、
上記第１の位置検出センサの出力信号である上記パルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記第１の位置検出センサとの相対的な位置関係が所定の位置関係になるように両者の相対的な位置を調節するとともに、かかる状態で上記第２の位置検出センサの出力信号である上記ハーフミラーで反射されたパルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記レーザ光検出手段との相対的な位置関係が一定になるように上記ハーフミラーの反射面の角度を調整する制御部とを有すること。
【００１０】
２）上記１）に記載するレーザ計測装置を複数対備えて、燃焼炉の複数箇所のガスの濃度等を検出するようにしたこと。
【００１１】
３）上記２）に記載するレーザ計測システムにおいて、
レーザ光源及びレーザ光検出手段は一個で形成し、一個のレーザ光源から光路数に応じて分割した複数本の測定用レーザ光を燃焼炉内に照射するとともに、レーザ光検出手段では、或る時間に特定の一本の測定用レーザ光のみが検出されるよう、各レーザ光を受光する時間を時分割して順次取り込むようにしたこと。
【００１２】
４）上記３）に記載するレーザ計測システムにおいて、
レーザ光源から出射する測定用レーザ光は、ファイバスプリッタを用いた分岐手段で所定の本数に分岐するとともに、分岐した各測定用レーザ光はシングルモードの光ファイバを用いてそれぞれ燃焼炉の所定位置に導き、さらに上記ファイバスプリッタにおける上記光ファイバの接続部では相対向する光ファイバの端面を斜めに切断したこと。
【００１３】
５）上記３）又は４）に記載するレーザ計測システムにおいて、
レーザ光検出手段において特定の一本の測定用レーザ光を検出している以外の時間に、この測定用レーザ光と光軸を共有するパルスレーザ光を照射するようにしたこと。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、各実施の形態において、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態を概念的に示す説明図である。同図に示すように、燃焼炉１はその炉壁１ａにおける両側（図中の左右両側）で相対向する部分に窓部１ｂ，１ｃを有している。レーザ光源２は、この燃焼炉１の内部に向けて測定用レーザ光３（図中に太線の実線で示す。以下、同じ。）を照射するものであり、本形態の場合には垂直上方に向けて照射した測定用レーザ光３をミラー４で水平方向に反射するとともに、ハーフミラー５を透過させ、窓部１ｂを介して炉内に照射している。ここで、レーザ光源２は、測定用レーザ光３を発生するレーザ装置自体のみならず、遠隔のレーザ装置で発生した測定用レーザ光３を導く光ファイバと一体となり、この光ファイバの端面から測定用レーザ光３を照射するものも含む。このときの測定用レーザ光３は、検出対象であるガスに応じて決まる特定の波長であることが厳密に要求されるため、これを照射するレーザ光源２としては、狭帯域の単一モードのレーザ光を発生し得る半導体レーザ装置が最適である。また、同様の理由で、この際用いる光ファイバは単一モードのものとする必要がある。
【００１６】
レーザ光検出器６は、燃焼炉１の炉内のガスを透過した上記測定用レーザ光３を検出する。さらに詳言すると、炉内のガスを透過した測定用レーザ光３は窓部１ｃを介して炉外に至り、ハーフミラー７で垂直下方に反射された後、レーザ光検出器６に入射する。演算処理装置８はレーザ光検出器６の出力信号を処理して上記燃焼炉１内のガスの濃度及び温度等を検出する。かかる検出は、レーザ吸収法として既知の手法を用いて行う。
【００１７】
レーザ吸収法では、測定用レーザ光３の処理に当たり、主に２種類の方法が用いられている。一つは、測定用レーザ光３を高速にＦＭ変調し、その出力信号の二次微分値により炉内ガスにおける測定用レーザ光３の吸収量を求めるものである。他の一つは、測定用レーザ光３を「計測分子の吸収を受ける信号光」と「吸収を受けない参照光」とに二分し、両者の信号強度のバランスを保ちながらその差分を計測して吸収量を求めるもの（以下、オートバランス光検出法という。）である。本形態では前者を用いている。ただ、これに限るものではなく、オートバランス光検出法であっても、勿論良い。
【００１８】
パルスレーザ光源９は、上記測定用レーザ光３の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光１０（図中に太線の点線で示す。以下、同じ。）を照射するものであり、本形態の場合は垂直下方に向けて照射したパルスレーザ光１０をハーフミラー５で水平方向に反射し、窓部１ｂを介して炉内に照射している。このパルスレーザ光１０は測定用レーザ光３とは異なり、特定の波長のレーザ光である必要はないが、このパルスレーザ光１０の光強度が光軸位置の測定精度に直接影響するので、この点を考慮して選定する。すなわち、光強度は、レーザ光源２を構成する単一モードの半導体レーザ装置よりも相対的に大きいが、廉価である通常の半導体レーザレーザ装置で好適に構成することができる。位置検出センサ１１は、燃焼炉１に対してパルスレーザ光源９の反対側でハーフミラー７を透過したパルスレーザ光１０を受光してその光軸の位置を検出するものであり、本形態の場合には受光したパルスレーザ光１０の光強度に応じた電圧信号に変換する光電変換素子を２次元に配列して構成している。すなわち、パルスレーザ光１０の光軸の２次元的な位置を検出するようになっている。
【００１９】
なお、測定用レーザ光３の光軸及びパルスレーザ光１０の光軸は完全に一致しており、したがってこれらを表す図中の実線及び点線も実際は重なり合っているが、説明の便宜のため両者を若干離して図示している（以下、同じ。）。
【００２０】
光軸調節部１２は、位置検出センサ１１の出力信号である上記パルスレーザ光１０の光軸の位置情報に基づき測定用レーザ光３（パルスレーザ光１０）の光軸とレーザ光検出器６との相対的な位置関係が常に一定になるように両者の位置関係を調整するものである。本形態では、位置検出センサ１１の出力信号を演算処理装置８で処理することにより所定位置に対する偏位量を表す偏位信号を得、この偏位信号が零になるように、光軸調節部１２を、ミラー４、ハーフミラー５及びパルスレーザ光１０と一体的に移動して燃焼炉１に対する相対的な位置及び姿勢を調節する。ここで、光軸調節部１２は、燃焼炉１に対し、垂直面内を２次元的に移動するとともに水平軸回りに回動し得るように構成してあり、演算処理装置８の制御部の制御により上述の如き所定位置へ移動制御される。
【００２１】
かかる本形態においては、レーザ光源２から燃焼炉１の内部に向けて測定用レーザ光３を照射し、この内部のガスを透過した測定用レーザ光３をレーザ光検出器６で検出し、この出力信号を演算処理装置８て所定の処理をすることにより上記ガスの濃度及び温度を検出する。一方、測定用レーザ光３の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光１０を、測定用レーザ光３とは別に炉内に照射し、このパルスレーザ光１０の光軸の位置を位置検出センサ１１で検出する。その後、パルスレーザ光１０（測定用レーザ光３）の光軸と上記レーザ光検出器６との相対的な位置関係が常に一定になるように両者の位置関係を調整する。かかる光軸調整は、演算処理装置８で、ガス濃度及び温度の検出のための所定の処理をしている間にパルスレーザ光１０を炉内に照射して行う。パルスレーザ光１０の照射が測定用レーザ光３による測定に影響を与えないようにするためである。
【００２２】
＜第２の実施の形態＞
図２は本発明の第２の実施の形態を概念的に示す説明図である。同図に示すように、本形態に係るレーザ計測システムは、燃焼炉１内に照射する測定用レーザ光３を当該燃焼炉１内で往復させ、燃焼炉１に対してレーザ光源２と同じ側でレーザ光検出器１６により検出するように構成したものである。したがって、本形態においては、燃焼炉１内における測定用レーザ光３の光路長が、上記第１の実施の形態のそれに対して２倍になる。この結果、光路長が増加した分、測定用レーザ光３のガスによる吸収量も増加し、レーザ検出器１６の出力信号に基づくガスの濃度及び温度の測定を容易且つ高精度に行うことができる。
【００２３】
ここで、レーザ光源２から照射した測定用レーザ光３のうち、ハーフミラー２３を透過した成分は、ミラー４で反射されて燃焼炉１内に至り、燃焼炉１の反対側に配設されたハーフミラー１７で反射されることにより燃焼炉１内を往復した後、ハーフミラー２４で反射された成分がレーザ光検出器１６に入射する。一方、レーザ光源２から照射した測定用レーザ光３のうち、ハーフミラー２３で反射された成分はミラー２５で反射されてレーザ光検出器１６に至る。そして、レーザ光検出器１６では，燃焼炉１内を往復した信号光である測定用レーザ光３と、燃焼炉１内を往復することなく直接取り込んだ参照光である測定用レーザ光３とを比較して測定用レーザ光３の吸収量を検出するようになっている。すなわち、前述の「オートバランス光検出法」を利用した検出部である。ただ、このように構成することは必須ではない。第１の実施の形態と同様の方式でも、勿論良い。また、レーザ光検出器１６の出力信号は演算処理装置１８で処理して、燃焼炉１内のガスの濃度及び温度を求める。
【００２４】
本形態においても、パルスレーザ光源９により測定用レーザ光３の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光１０を燃焼炉１内に照射しているが、測定用レーザ光３の光路が燃焼炉１内を往復しているので、これに対応させてパルスレーザ光１０も燃焼炉１内を往復させている。このため、パルスレーザ光１０のうちハーフミラー１７を透過するパルスレーザ光１０を受光してその光軸の位置を検出する位置検出センサ２１とともに、位置検出センサ２６も設けている。この位置検出センサ２６は、パルスレーザ光１０のうちハーフミラー１７で反射された成分を、燃焼炉１のパルスレーザ光源９と同じ側（レーザ光源２と同じ側）でハーフミラー２４を透過した成分として受光する。ここで、位置検出センサ２１は測定用レーザ光３の往路における光軸の位置を調節するものであり、位置検出センサ２６は測定用レーザ光３の復路における光軸の位置を調節するものである。
【００２５】
すなわち、先ず位置検出センサ２１の出力信号を演算処理装置１８で処理して光軸調節部１２の位置及び姿勢を制御する。このことにより往路の光軸と位置検出センサ２１との位置関係が所定通りになるように調節する。これは、図１に示す第１の実施の形態と全く同様の処理である。このように往路の光軸ロックが終了した後、上記位置検出センサ２６の出力信号である上記ハーフミラー１７で反射されたパルスレーザ光１０の復路の光軸の位置情報に基づきこの光軸とレーザ光検出器２６との相対的な位置関係が一定になるようにハーフミラー１７の反射面の角度を調整する。かかる調節は演算処理部１８の制御部で位置検出センサ２６の出力信号を処理するとともにその出力信号でハーフミラー１７を水平軸回りに回動制御することにより行う。
【００２６】
かかる本形態においては、燃焼炉１内に照射されこの燃焼炉１内を往復した測定用レーザ光３を用いてオートバランス検出法により燃焼炉１内のガスの濃度及び温度を検出する。
【００２７】
一方、光軸ロックは、先ず位置検出センサ２１の出力信号を用いて往路の光軸に関して行い、この光軸ロックが終了した後位置検出センサ２６の出力信号を用いて復路の光軸に関して行う。かかる光軸ロックのためのパルスレーザ光１０の照射は、演算処理装置１８で、ガス濃度及び温度の検出のための所定の処理をしている間に行う。その理由は、図１に示す第１の実施の形態の場合と全く同じである。
【００２８】
＜第３の実施の形態＞
図３は本発明の第３の実施の形態を概念的に示す説明図である。同図に示すように、本形態は測定用レーザ光３の送受光系を複数組設けて燃焼炉１内の複数本の光路上におけるガスの濃度及び温度等を検出し得るようにしたものである。基本的には、第１の実施の形態に係るレーザ計測システムの送受光系を複数組（図では４組）、燃焼炉１の周囲に分散して配設した構造となっている。
【００２９】
しかし、本形態に係るレーザ計測システムは、一台のレーザ光源２で発生した測定用レーザ光３を分岐して４本の測定用レーザ光３−１，３−２，３−３，３−４を形成するとともに、燃焼炉１内を透過した各測定用レーザ光３−１〜３−４を一台のレーザ光検出器３６で処理するように構成している。レーザ光源２は厳密に単一モードのレーザ光を照射する必要があり、この結果高価なものとなり、またレーザ光検出器３６も高価なものであり、当該システムのコストの低減のためにはこれらレーザ光源２及びレーザ光検出器３６の数を可及的に低減することが最も効果的であるからである。このようにレーザ光源２及びレーザ光検出器３６を一台としたままで燃焼炉１内の複数の光路上のガス濃度及び温度を検出するため、種々の工夫をしている。具体的には次の通りである。
【００３０】
レーザ光源２が出射する測定用レーザ光３は分岐部４３で４本に分岐され、光ファイバ４４−１，４４−２，４４−３，４４−４で導波され、各送光ヘッド部２−１，２−２，２−３，２−４を介して燃焼炉１の内部に向け照射される。ここで、各送光ヘッド部２−１〜２−４は炉壁１ａの周囲に等間隔に配設してある。各送光ヘッド部２−１〜２−４を介して燃焼炉１内に照射された測定用レーザ光３−１，３−２，３−３，３−４は、燃焼炉１を挟んで各送光ヘッド部２−１〜２−４の反対側で受光ヘッド部６−１，６−２，６−３，６−４を介してそれぞれ光ファイバ４５−１，４５−２，４５−３，４５−４に導入される。各光ファイバ４５−１〜４５−４で導波された測定用レーザ光３−１〜３−４は、シグナル切替器４７で、何れか一本が時分割された所定の間隔で選択され、順次レーザ光検出器３６に導入される。演算処理装置３８は、測定用レーザ光３−１〜３−４に基づくレーザ光検出器３６の出力信号を処理して燃焼炉１内における各光路上のガスの濃度及び温度等を検出する。また、演算処理装置３８は周波数変調器４８を制御してレーザ光源２から照射する測定用レーザ光３の波長を変調する。
【００３１】
光軸ロック用のパルスレーザ光源９−１，９−２，９−３，９−４は、光軸調節部１２−１，１２−２，１２−３，１２−４の移動に伴い送光ヘッド部２−１〜２−４と一体的に移動して燃焼炉１に対する位置及び姿勢を制御し得るように構成してある。パルスレーザ光源９−１〜９−４から燃焼炉１の炉内に照射されるパルスレーザ光１０−１，１０−２，１０−３，１０−４は、その光軸が測定用レーザ光３−１〜３−４の光軸にそれぞれ一致（図では説明の便宜上離して図示している。）しており、燃焼炉１の炉内を透過した後、図１に示す実施の形態と同様の態様で、各位置検出センサ１１−１，１１−２，１１−３，１１−４で検出される。各位置検出センサ１１−１，１１−２，１１−３，１１−４の出力信号はそれぞれ演算処理装置３８に供給され、この演算処理装置３８で所定の処理をすることにより光軸調節部１２−１，１２−２，１２−３，１２−４を制御して光軸と受光ヘッド部６−１〜６−４（レーザ光検出器３６）との相対的な位置関係がそれぞれ所定通りになるように調節する。かかる位置調節は、各測定用レーザ光３−１〜３−４に関して独立に行われるが、制御の態様は図１に示す実施の形態の場合と全く同様である。
【００３２】
上記分岐部４３は、ファイバスプリッタで形成するとともに、各光ファイバ４４−１〜４４−４の接続部では相対向する光ファイバの端面を斜めに切断してある。このことにより測定用レーザ光３−１〜３−４の散乱及び反射による干渉等を防止してガスでの吸収が所定通りに、良好に行われ、測定精度を十分な高精度に保持し得るよう工夫している。また、光ファイバ４４−１〜４４−４及び光ファイバ４５−１〜４５−４はシングルモードのものを用いている。測定用レーザ光３−１〜３−４のモードの崩れを防止するためである。
【００３３】
図４は上記第３の実施の形態における４本のレーザ光の検出手順を示すタイミングチャートである。同図に示すように、Ｃｈ１では光ファイバ４５−１を伝送されてきた測定用レーザ光３−１をシグナル切替器４７で選択してレーザ光検出器３６に取り込み、以下同様にしてＣｈ２では光ファイバ４５−２を伝送されてきた測定用レーザ光３−２を、Ｃｈ３では光ファイバ４５−３を伝送されてきた測定用レーザ光３−３を、Ｃｈ４では光ファイバ４５−４を伝送されてきた測定用レーザ光３−４を順次レーザ光検出器３６に取り込んで所定の処理をするようになっている。
【００３４】
一方、パルスレーザ光１０−１〜１０−４は、それぞれが光軸を共通にする測定用レーザ光３−１〜３−４の取り込みタイミング以外のタイミング（各測定用レーザ光３−１〜３−４を処理する以外のタイミング）で照射され、これに基づく位置調整を行う。図４に示す場合は、パルスレーザ光１０−１はＣｈ３で、パルスレーザ光１０−２はＣｈ４で、パルスレーザ光１０−３はＣｈ１で、パルスレーザ光１０−４はＣｈ２でそれぞれ各パルスレーザ光１０−１〜１０−４を照射している。これは、光軸を共通にする測定用レーザ光３−１〜３−４とパルスレーザ光１０−１〜１０−４とが重複することなく、異なるチャンネルＣｈ１〜Ｃｈ４の何れかに分離されていれば良い。パルスレーザ光１０−１〜１０−４の影響を排除した状態で測定用レーザ光３−１〜３−４を取り込めれば良いからである。
【００３５】
このように、本形態では、測定用レーザ光３−１〜３−４の数に対応するチャンネルＣｈ１〜Ｃｈ４を設け、各チャンネルＣｈ１〜Ｃｈ４に割り当てた所定の期間に、特定の一本の測定用レーザ光３−１〜３−４をシグナル切替器４７で選択する。このことにより、一台のレーザ光検出器３６で４本の測定用レーザ光３−１〜３−４のデータを処理することができる。また、光軸位置の調整は、各測定用レーザ光３−１〜３−４のレーザ光検出器３６に対する取り込み期間以外の期間に、光軸を共通にするパルスレーザ光１０−１〜１０−４の何れかが照射されるので、かかるパルスレーザ光１０−１〜１０−４の照射が、測定用レーザ光３−１〜３−４によるガスの濃度等の測定に影響を与えることもない。
【００３６】
なお、本形態においては、測定用レーザ光３−１〜３−４の分析処理を微分方式により行う場合について説明したが、これはオートバランス法であっても勿論良い。同様に、送受光系に図２のシステムを利用する、いわゆる往復方式であっても勿論良い。また、送受光系の数及びその燃焼炉１に対する設置位置も必要に応じ適宜選定し得る。さらに、コストの点を考慮しなければ、レーザ光源２及びびレーザ光検出器３６を測定用レーザ光３−１〜３−４の数だけ設けることもできる。
【００３７】
上記第１乃至第３の実施の形態では測定用レーザ光３の他に光軸ロック用のパルスレーザ光１０も用意した。これは、上述の如く、測定用レーザ光３に求められる特性（波長が単一であること。）と、パルスレーザ光１０に求められる特性（大きな光強度であること。）とが異なる点を考慮したためであるが、原理的にはこのように２種類のレーザ光を用意する必要はない。十分な強度の単一レーザ光を安価に得られるのであれば、測定用レーザ光３のみで光軸ロックも行うことができる。すなわち、測定用レーザ光３を取り込んでガスの濃度等を演算処理している間に測定用レーザ光３を光軸ロックのためのレーザ光として利用し、パルスレーザ光１０を用いる上記第１乃至第３の実施の形態と同様の態様で測定用レーザ光３の光軸位置を調節すれば良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、レーザ光源から燃焼炉の内部に向けて測定用レーザ光を照射し、この内部のガスを透過した測定用レーザ光をレーザ光検出手段で検出して所定の処理をすることにより上記ガスの濃度等を検出するレーザ計測方法において、燃焼炉内を透過した上記レーザ光の光軸の位置を検出して、この光軸と上記レーザ光検出手段との相対的な位置関係が常に一定になるように両者の位置関係を調整するので、燃焼炉の熱伸び、振動等により測定用レーザ光の光路が変化してもその光軸の位置を常に一定に保持することができ、計測の長期安定性及び高信頼性を確保することができる。
【００３９】
また、レーザ光源から燃焼炉の内部に向けて測定用レーザ光を照射し、この内部のガスを透過した測定用レーザ光をレーザ光検出手段で検出して所定の処理をすることにより上記ガスの濃度等を検出するレーザ計測方法において、上記所定の処理をしている間に、測定用レーザ光とは別に、この測定用レーザ光の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光を照射し、このパルスレーザ光の光軸の位置を検出して、この光軸と上記レーザ光検出手段との相対的な位置関係が常に一定になるように両者の位置関係を調整するので、測定用レーザ光による所定のガスの濃度等の検出に何ら影響を与えることなく、光軸調節用として特化したパルスレーザ光で上述する効果と同様の効果を奏する。ちなみに、測定用レーザ光は検出対象であるガスに応じて決まる特定の波長であることが厳密に要求される。これに対し、光軸ロック用のパルスレーザ光では、波長の厳密性は要求されない代わりに比較的大きな光強度を有するものであることが要求される。パルスレーザ光はその光軸の位置を検出することができれば良いので、特定の狭帯域の波長のレーザ光である必要はないが、確実に位置検出センサに検出されるだけの十分な光強度を有している必要があるからである。上記構成によれば、両者に要求される条件を満足するためのレーザ光の選択が容易になり、コスト等を勘案して合理的なシステムを構築することができる。
【００４０】
また、燃焼炉の内部に向けて測定用レーザ光を照射するレーザ光源と、上記燃焼炉の内部のガスを透過した上記測定用レーザ光を検出するレーザ光検出手段と、このレーザ光検出手段の出力信号を処理することにより上記ガスの濃度等を検出する演算処理手段とを有するレーザ計測装置において、上記燃焼炉に対して上記レーザ光源の反対側に配設したレーザ光検出手段と、上記演算処理手段で所定の処理をしている間に、上記レーザ光源から出射する測定用レーザ光の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光を照射するパルスレーザ光源と、このパルスレーザ光を上記燃焼炉に対して上記パルスレーザ光源の反対側で受光して上記光軸の位置を検出する位置検出センサと、この位置検出センサの出力信号である上記パルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記レーザ光検出手段との相対的な位置関係が常に一定になるように両者の位置関係を調整する光軸調節手段とを有するので、測定用レーザ光による所定のガスの濃度等の検出に何ら影響を与えることなく、光軸調節用として特化したパルスレーザ光で測定用レーザ光の光軸を常に一定に保持することができる。この結果、燃焼炉の熱伸び、振動等が発生しても計測の長期安定性及び高信頼性を確保することができる。また、測定用レーザ光は検出対象であるガスに応じて決まる特定の波長の厳密性が要求されるのに対し、光軸ロック用のパルスレーザ光には波長の厳密性は要求されない代わりに比較的大きな光強度を有するものであることが要求される。パルスレーザ光は位置検出センサでその光軸の位置を検出することができれば良いので、特定の狭帯域の波長のレーザ光である必要はないが、光路の途中の環境に影響されることなく位置検出センサで確実にその光軸が検出されることが必要であるからである。
【００４１】
ここで、単一モードの波長のレーザ光を所定の狭帯域に収めて照射しなければならないレーザ光源は、一般に高価であり、その出射レーザ光の光強度が大きくなればそれだけ高価なものとなる。これに対し、パルスレーザ光は位置検出センサでその光軸の位置を検出することができれば良いので、特定の狭帯域の波長のレーザ光である必要はない。したがって、パルスレーザ光源は安価に構成することができる。この結果、測定用のレーザ光源と光軸ロック用のパルスレーザ光源とに要求される条件を満足するためのレーザ光源の選択が容易になり、コスト等を勘案して合理的で低廉なシステムを構築することができる。
【００４２】
〔請求項１〕に記載する発明は、燃焼炉の内部に向けて測定用レーザ光を照射するレーザ光源と、上記燃焼炉の内部のガスを透過した上記測定用レーザ光を検出するレーザ光検出手段と、このレーザ光検出手段の出力信号を処理することにより上記ガスの濃度等を検出する演算処理手段とを有するレーザ計測装置において、燃焼炉に対して上記レーザ光源の反対側に配設したハーフミラーと、このハーフミラーで反射され、再度燃焼炉の内部のガスを透過した測定用レーザ光を検出するよう、燃焼炉に対して上記レーザ光源と同じ側に配設したレーザ光検出手段と、上記演算処理手段で所定の処理をしている間に、上記レーザ光源から出射する測定用レーザ光の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光を照射するパルスレーザ光源と、上記パルスレーザ光のうちハーフミラーを透過するパルスレーザ光を受光して上記光軸の位置を検出する第１の位置検出センサと、上記パルスレーザ光のうちハーフミラーで反射されたパルスレーザ光を、上記パルスレーザ光源と同じ側で受光して上記光軸の位置を検出する第２の位置検出センサと、上記第１の位置検出センサの出力信号である上記パルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記第１の位置検出センサとの相対的な位置関係が所定の位置関係になるように両者の相対的な位置を調節するとともに、かかる状態で上記第２の位置検出センサの出力信号である上記ハーフミラーで反射されたパルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記レーザ光検出手段との相対的な位置関係が一定になるように上記ハーフミラーの反射面の角度を調整する制御部とを有するので、測定用レーザ光は燃焼炉内を往復した後、レーザ検出手段で検出される。すなわち、上述した構成の場合よりも、より長い光路での測定用レーザ光の減衰を測定することになる。この結果、上述した構成と同様の効果を確保した上で、上述した構成よりも、より高精度の測定を行うことができる。
【００４３】
〔請求項２〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載するレーザ計測装置を複数対備えて、燃焼炉の複数箇所のガスの濃度等を検出するようにしたので、燃焼炉の複数の領域におけるガスの濃度等を一度に検出することができるが、この検出に際し、〔請求項１〕に記載する発明と同様の効果を奏する。
【００４４】
〔請求項３〕に記載する発明は、〔請求項２〕に記載するレーザ計測システムにおいて、レーザ光源及びレーザ光検出手段は一個で形成し、一個のレーザ光源から光路数に応じて分割した複数本の測定用レーザ光を燃焼炉内に照射するとともに、レーザ光検出手段では、或る時間に特定の一本の測定用レーザ光のみが検出されるよう、各レーザ光を受光する時間を時分割して順次取り込むようにしたので、〔請求項２〕に記載する発明の効果を一個のレーザ光源及び一個のレーザ光検出手段で奏することができる。この結果、システム構成が簡単になり、コストの可及的な低減を図ることもできる。ちなみに、測定用レーザ光を照射するレーザ光源及びレーザ光検出手段が当該システム中で最も高価な構成要素となっている。
【００４５】
〔請求項４〕に記載する発明は、〔請求項３〕に記載するレーザ計測システムにおいて、レーザ光源から出射する測定用レーザ光は、ファイバスプリッタを用いた分岐手段で所定の本数に分岐するとともに、分岐した各測定用レーザ光はシングルモードの光ファイバを用いてそれぞれ燃焼炉の所定位置に導き、さらに上記ファイバスプリッタにおける上記光ファイバの接続部では相対向する光ファイバの端面を斜めに切断したので、狭帯域の単一モードレーザ光である測定用レーザ光を散乱させることなく良好に燃焼炉内に照射することができる。
【００４６】
〔請求項５〕に記載する発明は、〔請求項３〕又は〔請求項４〕に記載するレーザ計測システムにおいて、レーザ光検出手段において特定の一本の測定用レーザ光を検出している以外の時間に、この測定用レーザ光と光軸を共有するパルスレーザ光を照射するようにしたので、測定用レーザ光による所定の測定がパルスレーザ光の影響を受けることはなく、ガス濃度等の測定及び光軸ロックを、他に影響を与えることなくそれぞれ独立に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を概念的に示す説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を概念的に示す説明図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を概念的に示す説明図である。
【図４】上記第３の実施の形態における４本のレーザ光の検出手順を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ 燃焼炉
１ａ 炉壁
２ レーザ光源
３ 測定用レーザ光
６ レーザ光検出器
８ 演算処理装置
９ パルスレーザ光源
１０ パルスレーザ光
１１ 位置検出センサ
１２ 光軸調節部
１６ レーザ光検出器
１７ ハーフミラー
１８ 演算処理装置
２１ 位置検出センサ
２６ 位置検出センサ
３−１，３−２，３−３，３−４ 測定用レーザ光
９−１，９−２，９−３，９−４ パルスレーザ光源
１０−１，１０−２，１０−３，１０−４ パルスレーザ光源
１１−１，１１−２，１１−３，１１−４ 位置検出センサ
１２−１，１２−２，１２−３，１２−４ 光軸調節部
４７ シグナル切替器
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ計測方法及びレーザ計測システムに関し、特にごみ焼却炉、ボイラ等（以下、燃焼炉という。）の低公害化（低ＮＯｘ化、低ダイオキシン化）に資するべく、燃焼炉内の温度や、ＣＯ，Ｏ２ 等の各種ガス濃度を監視する場合に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼炉の低公害化（低ＮＯｘ化、低ダイオキシン化）には、燃焼炉内の温度、ＣＯ，Ｏ２ 等の各種ガス濃度を監視し、燃焼空気比等の制御を行う必要がある。レーザ光を燃焼雰囲気に照射して、燃焼炉内の温度、ＣＯ，Ｏ２ 等の各種ガス濃度を検出する好適な手法としてレーザ吸収法が知られている。これは、ガスが存在する空間をレーザ光が通過した場合、このレーザ光の光路に存在するガスの分子・原子によりレーザ光が吸収されることを利用するものであり、その吸収量を計測することにより光路上の平均濃度を求めるとともに、炉内に照射するレーザ光の波長を変化させて各波長に対応する吸収スペクトルのパターンを検出することにより平均温度を求めるものである。このため、レーザ光源から燃焼炉内の燃焼雰囲気を構成するガス中に照射してこのガス中を透過したレーザ光をレーザ光検出手段により検出し、このレーザ光検出手段の出力信号を分析・演算して上記平均濃度及び平均温度のデータを得るシステムを構築している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ吸収法による上述の如き従来技術に係るレーザ計測システムでは、振動及び燃焼器の熱伸び等に起因するレーザ光の光学系のズレを生起する結果、長期にわたる安定性及び信頼性に欠けるものとなっていた。また、近年、燃焼器内の多点において、しかも可及的にシステムのコストを高騰させることなくガス濃度及び温度を計測したいという要望が強まっている。
【０００４】
本発明は、上記従来技術に鑑み、レーザ吸収法による燃焼ガスの温度及び濃度の測定に際し、測定用レーザ光の光軸とレーザ光検出手段との相対的な位置関係を常に一定に保持することができるとともに、一個のレーザ光源及びレーザ光検出手段で複数本のレーザ光による複数点の計測を行い得る低廉なレーザ計測システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。
【０００９】
１）燃焼炉の内部に向けて測定用レーザ光を照射するレーザ光源と、上記燃焼炉の内部のガスを透過した上記測定用レーザ光を検出するレーザ光検出手段と、このレーザ光検出手段の出力信号を処理することにより上記ガスの濃度等を検出する演算処理手段とを有するレーザ計測装置において、
燃焼炉に対して上記レーザ光源の反対側に配設したハーフミラーと、
このハーフミラーで反射され、再度燃焼炉の内部のガスを透過した測定用レーザ光を検出するよう、燃焼炉に対して上記レーザ光源と同じ側に配設したレーザ光検出手段と、
上記演算処理手段で所定の処理をしている間に、上記レーザ光源から出射する測定用レーザ光の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光を照射するパルスレーザ光源と、
上記パルスレーザ光のうちハーフミラーを透過するパルスレーザ光を受光して上記光軸の位置を検出する第１の位置検出センサと、
上記パルスレーザ光のうちハーフミラーで反射されたパルスレーザ光を、上記パルスレーザ光源と同じ側で受光して上記光軸の位置を検出する第２の位置検出センサと、
上記第１の位置検出センサの出力信号である上記パルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記第１の位置検出センサとの相対的な位置関係が所定の位置関係になるように両者の相対的な位置を調節するとともに、かかる状態で上記第２の位置検出センサの出力信号である上記ハーフミラーで反射されたパルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記レーザ光検出手段との相対的な位置関係が一定になるように上記ハーフミラーの反射面の角度を調整する制御部とを有すること。
【００１０】
２）上記１）に記載するレーザ計測装置を複数対備えて、燃焼炉の複数箇所のガスの濃度等を検出するようにしたこと。
【００１１】
３）上記２）に記載するレーザ計測システムにおいて、
レーザ光源及びレーザ光検出手段は一個で形成し、一個のレーザ光源から光路数に応じて分割した複数本の測定用レーザ光を燃焼炉内に照射するとともに、レーザ光検出手段では、或る時間に特定の一本の測定用レーザ光のみが検出されるよう、各レーザ光を受光する時間を時分割して順次取り込むようにしたこと。
【００１２】
４）上記３）に記載するレーザ計測システムにおいて、
レーザ光源から出射する測定用レーザ光は、ファイバスプリッタを用いた分岐手段で所定の本数に分岐するとともに、分岐した各測定用レーザ光はシングルモードの光ファイバを用いてそれぞれ燃焼炉の所定位置に導き、さらに上記ファイバスプリッタにおける上記光ファイバの接続部では相対向する光ファイバの端面を斜めに切断したこと。
【００１３】
５）上記３）又は４）に記載するレーザ計測システムにおいて、
レーザ光検出手段において特定の一本の測定用レーザ光を検出している以外の時間に、この測定用レーザ光と光軸を共有するパルスレーザ光を照射するようにしたこと。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、各実施の形態において、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態を概念的に示す説明図である。同図に示すように、燃焼炉１はその炉壁１ａにおける両側（図中の左右両側）で相対向する部分に窓部１ｂ，１ｃを有している。レーザ光源２は、この燃焼炉１の内部に向けて測定用レーザ光３（図中に太線の実線で示す。以下、同じ。）を照射するものであり、本形態の場合には垂直上方に向けて照射した測定用レーザ光３をミラー４で水平方向に反射するとともに、ハーフミラー５を透過させ、窓部１ｂを介して炉内に照射している。ここで、レーザ光源２は、測定用レーザ光３を発生するレーザ装置自体のみならず、遠隔のレーザ装置で発生した測定用レーザ光３を導く光ファイバと一体となり、この光ファイバの端面から測定用レーザ光３を照射するものも含む。このときの測定用レーザ光３は、検出対象であるガスに応じて決まる特定の波長であることが厳密に要求されるため、これを照射するレーザ光源２としては、狭帯域の単一モードのレーザ光を発生し得る半導体レーザ装置が最適である。また、同様の理由で、この際用いる光ファイバは単一モードのものとする必要がある。
【００１６】
レーザ光検出器６は、燃焼炉１の炉内のガスを透過した上記測定用レーザ光３を検出する。さらに詳言すると、炉内のガスを透過した測定用レーザ光３は窓部１ｃを介して炉外に至り、ハーフミラー７で垂直下方に反射された後、レーザ光検出器６に入射する。演算処理装置８はレーザ光検出器６の出力信号を処理して上記燃焼炉１内のガスの濃度及び温度等を検出する。かかる検出は、レーザ吸収法として既知の手法を用いて行う。
【００１７】
レーザ吸収法では、測定用レーザ光３の処理に当たり、主に２種類の方法が用いられている。一つは、測定用レーザ光３を高速にＦＭ変調し、その出力信号の二次微分値により炉内ガスにおける測定用レーザ光３の吸収量を求めるものである。他の一つは、測定用レーザ光３を「計測分子の吸収を受ける信号光」と「吸収を受けない参照光」とに二分し、両者の信号強度のバランスを保ちながらその差分を計測して吸収量を求めるもの（以下、オートバランス光検出法という。）である。本形態では前者を用いている。ただ、これに限るものではなく、オートバランス光検出法であっても、勿論良い。
【００１８】
パルスレーザ光源９は、上記測定用レーザ光３の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光１０（図中に太線の点線で示す。以下、同じ。）を照射するものであり、本形態の場合は垂直下方に向けて照射したパルスレーザ光１０をハーフミラー５で水平方向に反射し、窓部１ｂを介して炉内に照射している。このパルスレーザ光１０は測定用レーザ光３とは異なり、特定の波長のレーザ光である必要はないが、このパルスレーザ光１０の光強度が光軸位置の測定精度に直接影響するので、この点を考慮して選定する。すなわち、光強度は、レーザ光源２を構成する単一モードの半導体レーザ装置よりも相対的に大きいが、廉価である通常の半導体レーザレーザ装置で好適に構成することができる。位置検出センサ１１は、燃焼炉１に対してパルスレーザ光源９の反対側でハーフミラー７を透過したパルスレーザ光１０を受光してその光軸の位置を検出するものであり、本形態の場合には受光したパルスレーザ光１０の光強度に応じた電圧信号に変換する光電変換素子を２次元に配列して構成している。すなわち、パルスレーザ光１０の光軸の２次元的な位置を検出するようになっている。
【００１９】
なお、測定用レーザ光３の光軸及びパルスレーザ光１０の光軸は完全に一致しており、したがってこれらを表す図中の実線及び点線も実際は重なり合っているが、説明の便宜のため両者を若干離して図示している（以下、同じ。）。
【００２０】
光軸調節部１２は、位置検出センサ１１の出力信号である上記パルスレーザ光１０の光軸の位置情報に基づき測定用レーザ光３（パルスレーザ光１０）の光軸とレーザ光検出器６との相対的な位置関係が常に一定になるように両者の位置関係を調整するものである。本形態では、位置検出センサ１１の出力信号を演算処理装置８で処理することにより所定位置に対する偏位量を表す偏位信号を得、この偏位信号が零になるように、光軸調節部１２を、ミラー４、ハーフミラー５及びパルスレーザ光１０と一体的に移動して燃焼炉１に対する相対的な位置及び姿勢を調節する。ここで、光軸調節部１２は、燃焼炉１に対し、垂直面内を２次元的に移動するとともに水平軸回りに回動し得るように構成してあり、演算処理装置８の制御部の制御により上述の如き所定位置へ移動制御される。
【００２１】
かかる本形態においては、レーザ光源２から燃焼炉１の内部に向けて測定用レーザ光３を照射し、この内部のガスを透過した測定用レーザ光３をレーザ光検出器６で検出し、この出力信号を演算処理装置８て所定の処理をすることにより上記ガスの濃度及び温度を検出する。一方、測定用レーザ光３の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光１０を、測定用レーザ光３とは別に炉内に照射し、このパルスレーザ光１０の光軸の位置を位置検出センサ１１で検出する。その後、パルスレーザ光１０（測定用レーザ光３）の光軸と上記レーザ光検出器６との相対的な位置関係が常に一定になるように両者の位置関係を調整する。かかる光軸調整は、演算処理装置８で、ガス濃度及び温度の検出のための所定の処理をしている間にパルスレーザ光１０を炉内に照射して行う。パルスレーザ光１０の照射が測定用レーザ光３による測定に影響を与えないようにするためである。
【００２２】
＜第２の実施の形態＞
図２は本発明の第２の実施の形態を概念的に示す説明図である。同図に示すように、本形態に係るレーザ計測システムは、燃焼炉１内に照射する測定用レーザ光３を当該燃焼炉１内で往復させ、燃焼炉１に対してレーザ光源２と同じ側でレーザ光検出器１６により検出するように構成したものである。したがって、本形態においては、燃焼炉１内における測定用レーザ光３の光路長が、上記第１の実施の形態のそれに対して２倍になる。この結果、光路長が増加した分、測定用レーザ光３のガスによる吸収量も増加し、レーザ検出器１６の出力信号に基づくガスの濃度及び温度の測定を容易且つ高精度に行うことができる。
【００２３】
ここで、レーザ光源２から照射した測定用レーザ光３のうち、ハーフミラー２３を透過した成分は、ミラー４で反射されて燃焼炉１内に至り、燃焼炉１の反対側に配設されたハーフミラー１７で反射されることにより燃焼炉１内を往復した後、ハーフミラー２４で反射された成分がレーザ光検出器１６に入射する。一方、レーザ光源２から照射した測定用レーザ光３のうち、ハーフミラー２３で反射された成分はミラー２５で反射されてレーザ光検出器１６に至る。そして、レーザ光検出器１６では，燃焼炉１内を往復した信号光である測定用レーザ光３と、燃焼炉１内を往復することなく直接取り込んだ参照光である測定用レーザ光３とを比較して測定用レーザ光３の吸収量を検出するようになっている。すなわち、前述の「オートバランス光検出法」を利用した検出部である。ただ、このように構成することは必須ではない。第１の実施の形態と同様の方式でも、勿論良い。また、レーザ光検出器１６の出力信号は演算処理装置１８で処理して、燃焼炉１内のガスの濃度及び温度を求める。
【００２４】
本形態においても、パルスレーザ光源９により測定用レーザ光３の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光１０を燃焼炉１内に照射しているが、測定用レーザ光３の光路が燃焼炉１内を往復しているので、これに対応させてパルスレーザ光１０も燃焼炉１内を往復させている。このため、パルスレーザ光１０のうちハーフミラー１７を透過するパルスレーザ光１０を受光してその光軸の位置を検出する位置検出センサ２１とともに、位置検出センサ２６も設けている。この位置検出センサ２６は、パルスレーザ光１０のうちハーフミラー１７で反射された成分を、燃焼炉１のパルスレーザ光源９と同じ側（レーザ光源２と同じ側）でハーフミラー２４を透過した成分として受光する。ここで、位置検出センサ２１は測定用レーザ光３の往路における光軸の位置を調節するものであり、位置検出センサ２６は測定用レーザ光３の復路における光軸の位置を調節するものである。
【００２５】
すなわち、先ず位置検出センサ２１の出力信号を演算処理装置１８で処理して光軸調節部１２の位置及び姿勢を制御する。このことにより往路の光軸と位置検出センサ２１との位置関係が所定通りになるように調節する。これは、図１に示す第１の実施の形態と全く同様の処理である。このように往路の光軸ロックが終了した後、上記位置検出センサ２６の出力信号である上記ハーフミラー１７で反射されたパルスレーザ光１０の復路の光軸の位置情報に基づきこの光軸とレーザ光検出器２６との相対的な位置関係が一定になるようにハーフミラー１７の反射面の角度を調整する。かかる調節は演算処理部１８の制御部で位置検出センサ２６の出力信号を処理するとともにその出力信号でハーフミラー１７を水平軸回りに回動制御することにより行う。
【００２６】
かかる本形態においては、燃焼炉１内に照射されこの燃焼炉１内を往復した測定用レーザ光３を用いてオートバランス検出法により燃焼炉１内のガスの濃度及び温度を検出する。
【００２７】
一方、光軸ロックは、先ず位置検出センサ２１の出力信号を用いて往路の光軸に関して行い、この光軸ロックが終了した後位置検出センサ２６の出力信号を用いて復路の光軸に関して行う。かかる光軸ロックのためのパルスレーザ光１０の照射は、演算処理装置１８で、ガス濃度及び温度の検出のための所定の処理をしている間に行う。その理由は、図１に示す第１の実施の形態の場合と全く同じである。
【００２８】
＜第３の実施の形態＞
図３は本発明の第３の実施の形態を概念的に示す説明図である。同図に示すように、本形態は測定用レーザ光３の送受光系を複数組設けて燃焼炉１内の複数本の光路上におけるガスの濃度及び温度等を検出し得るようにしたものである。基本的には、第１の実施の形態に係るレーザ計測システムの送受光系を複数組（図では４組）、燃焼炉１の周囲に分散して配設した構造となっている。
【００２９】
しかし、本形態に係るレーザ計測システムは、一台のレーザ光源２で発生した測定用レーザ光３を分岐して４本の測定用レーザ光３−１，３−２，３−３，３−４を形成するとともに、燃焼炉１内を透過した各測定用レーザ光３−１〜３−４を一台のレーザ光検出器３６で処理するように構成している。レーザ光源２は厳密に単一モードのレーザ光を照射する必要があり、この結果高価なものとなり、またレーザ光検出器３６も高価なものであり、当該システムのコストの低減のためにはこれらレーザ光源２及びレーザ光検出器３６の数を可及的に低減することが最も効果的であるからである。このようにレーザ光源２及びレーザ光検出器３６を一台としたままで燃焼炉１内の複数の光路上のガス濃度及び温度を検出するため、種々の工夫をしている。具体的には次の通りである。
【００３０】
レーザ光源２が出射する測定用レーザ光３は分岐部４３で４本に分岐され、光ファイバ４４−１，４４−２，４４−３，４４−４で導波され、各送光ヘッド部２−１，２−２，２−３，２−４を介して燃焼炉１の内部に向け照射される。ここで、各送光ヘッド部２−１〜２−４は炉壁１ａの周囲に等間隔に配設してある。各送光ヘッド部２−１〜２−４を介して燃焼炉１内に照射された測定用レーザ光３−１，３−２，３−３，３−４は、燃焼炉１を挟んで各送光ヘッド部２−１〜２−４の反対側で受光ヘッド部６−１，６−２，６−３，６−４を介してそれぞれ光ファイバ４５−１，４５−２，４５−３，４５−４に導入される。各光ファイバ４５−１〜４５−４で導波された測定用レーザ光３−１〜３−４は、シグナル切替器４７で、何れか一本が時分割された所定の間隔で選択され、順次レーザ光検出器３６に導入される。演算処理装置３８は、測定用レーザ光３−１〜３−４に基づくレーザ光検出器３６の出力信号を処理して燃焼炉１内における各光路上のガスの濃度及び温度等を検出する。また、演算処理装置３８は周波数変調器４８を制御してレーザ光源２から照射する測定用レーザ光３の波長を変調する。
【００３１】
光軸ロック用のパルスレーザ光源９−１，９−２，９−３，９−４は、光軸調節部１２−１，１２−２，１２−３，１２−４の移動に伴い送光ヘッド部２−１〜２−４と一体的に移動して燃焼炉１に対する位置及び姿勢を制御し得るように構成してある。パルスレーザ光源９−１〜９−４から燃焼炉１の炉内に照射されるパルスレーザ光１０−１，１０−２，１０−３，１０−４は、その光軸が測定用レーザ光３−１〜３−４の光軸にそれぞれ一致（図では説明の便宜上離して図示している。）しており、燃焼炉１の炉内を透過した後、図１に示す実施の形態と同様の態様で、各位置検出センサ１１−１，１１−２，１１−３，１１−４で検出される。各位置検出センサ１１−１，１１−２，１１−３，１１−４の出力信号はそれぞれ演算処理装置３８に供給され、この演算処理装置３８で所定の処理をすることにより光軸調節部１２−１，１２−２，１２−３，１２−４を制御して光軸と受光ヘッド部６−１〜６−４（レーザ光検出器３６）との相対的な位置関係がそれぞれ所定通りになるように調節する。かかる位置調節は、各測定用レーザ光３−１〜３−４に関して独立に行われるが、制御の態様は図１に示す実施の形態の場合と全く同様である。
【００３２】
上記分岐部４３は、ファイバスプリッタで形成するとともに、各光ファイバ４４−１〜４４−４の接続部では相対向する光ファイバの端面を斜めに切断してある。このことにより測定用レーザ光３−１〜３−４の散乱及び反射による干渉等を防止してガスでの吸収が所定通りに、良好に行われ、測定精度を十分な高精度に保持し得るよう工夫している。また、光ファイバ４４−１〜４４−４及び光ファイバ４５−１〜４５−４はシングルモードのものを用いている。測定用レーザ光３−１〜３−４のモードの崩れを防止するためである。
【００３３】
図４は上記第３の実施の形態における４本のレーザ光の検出手順を示すタイミングチャートである。同図に示すように、Ｃｈ１では光ファイバ４５−１を伝送されてきた測定用レーザ光３−１をシグナル切替器４７で選択してレーザ光検出器３６に取り込み、以下同様にしてＣｈ２では光ファイバ４５−２を伝送されてきた測定用レーザ光３−２を、Ｃｈ３では光ファイバ４５−３を伝送されてきた測定用レーザ光３−３を、Ｃｈ４では光ファイバ４５−４を伝送されてきた測定用レーザ光３−４を順次レーザ光検出器３６に取り込んで所定の処理をするようになっている。
【００３４】
一方、パルスレーザ光１０−１〜１０−４は、それぞれが光軸を共通にする測定用レーザ光３−１〜３−４の取り込みタイミング以外のタイミング（各測定用レーザ光３−１〜３−４を処理する以外のタイミング）で照射され、これに基づく位置調整を行う。図４に示す場合は、パルスレーザ光１０−１はＣｈ３で、パルスレーザ光１０−２はＣｈ４で、パルスレーザ光１０−３はＣｈ１で、パルスレーザ光１０−４はＣｈ２でそれぞれ各パルスレーザ光１０−１〜１０−４を照射している。これは、光軸を共通にする測定用レーザ光３−１〜３−４とパルスレーザ光１０−１〜１０−４とが重複することなく、異なるチャンネルＣｈ１〜Ｃｈ４の何れかに分離されていれば良い。パルスレーザ光１０−１〜１０−４の影響を排除した状態で測定用レーザ光３−１〜３−４を取り込めれば良いからである。
【００３５】
このように、本形態では、測定用レーザ光３−１〜３−４の数に対応するチャンネルＣｈ１〜Ｃｈ４を設け、各チャンネルＣｈ１〜Ｃｈ４に割り当てた所定の期間に、特定の一本の測定用レーザ光３−１〜３−４をシグナル切替器４７で選択する。このことにより、一台のレーザ光検出器３６で４本の測定用レーザ光３−１〜３−４のデータを処理することができる。また、光軸位置の調整は、各測定用レーザ光３−１〜３−４のレーザ光検出器３６に対する取り込み期間以外の期間に、光軸を共通にするパルスレーザ光１０−１〜１０−４の何れかが照射されるので、かかるパルスレーザ光１０−１〜１０−４の照射が、測定用レーザ光３−１〜３−４によるガスの濃度等の測定に影響を与えることもない。
【００３６】
なお、本形態においては、測定用レーザ光３−１〜３−４の分析処理を微分方式により行う場合について説明したが、これはオートバランス法であっても勿論良い。同様に、送受光系に図２のシステムを利用する、いわゆる往復方式であっても勿論良い。また、送受光系の数及びその燃焼炉１に対する設置位置も必要に応じ適宜選定し得る。さらに、コストの点を考慮しなければ、レーザ光源２及びびレーザ光検出器３６を測定用レーザ光３−１〜３−４の数だけ設けることもできる。
【００３７】
上記第１乃至第３の実施の形態では測定用レーザ光３の他に光軸ロック用のパルスレーザ光１０も用意した。これは、上述の如く、測定用レーザ光３に求められる特性（波長が単一であること。）と、パルスレーザ光１０に求められる特性（大きな光強度であること。）とが異なる点を考慮したためであるが、原理的にはこのように２種類のレーザ光を用意する必要はない。十分な強度の単一レーザ光を安価に得られるのであれば、測定用レーザ光３のみで光軸ロックも行うことができる。すなわち、測定用レーザ光３を取り込んでガスの濃度等を演算処理している間に測定用レーザ光３を光軸ロックのためのレーザ光として利用し、パルスレーザ光１０を用いる上記第１乃至第３の実施の形態と同様の態様で測定用レーザ光３の光軸位置を調節すれば良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、レーザ光源から燃焼炉の内部に向けて測定用レーザ光を照射し、この内部のガスを透過した測定用レーザ光をレーザ光検出手段で検出して所定の処理をすることにより上記ガスの濃度等を検出するレーザ計測方法において、燃焼炉内を透過した上記レーザ光の光軸の位置を検出して、この光軸と上記レーザ光検出手段との相対的な位置関係が常に一定になるように両者の位置関係を調整するので、燃焼炉の熱伸び、振動等により測定用レーザ光の光路が変化してもその光軸の位置を常に一定に保持することができ、計測の長期安定性及び高信頼性を確保することができる。
【００３９】
また、レーザ光源から燃焼炉の内部に向けて測定用レーザ光を照射し、この内部のガスを透過した測定用レーザ光をレーザ光検出手段で検出して所定の処理をすることにより上記ガスの濃度等を検出するレーザ計測方法において、上記所定の処理をしている間に、測定用レーザ光とは別に、この測定用レーザ光の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光を照射し、このパルスレーザ光の光軸の位置を検出して、この光軸と上記レーザ光検出手段との相対的な位置関係が常に一定になるように両者の位置関係を調整するので、測定用レーザ光による所定のガスの濃度等の検出に何ら影響を与えることなく、光軸調節用として特化したパルスレーザ光で上述する効果と同様の効果を奏する。ちなみに、測定用レーザ光は検出対象であるガスに応じて決まる特定の波長であることが厳密に要求される。これに対し、光軸ロック用のパルスレーザ光では、波長の厳密性は要求されない代わりに比較的大きな光強度を有するものであることが要求される。パルスレーザ光はその光軸の位置を検出することができれば良いので、特定の狭帯域の波長のレーザ光である必要はないが、確実に位置検出センサに検出されるだけの十分な光強度を有している必要があるからである。上記構成によれば、両者に要求される条件を満足するためのレーザ光の選択が容易になり、コスト等を勘案して合理的なシステムを構築することができる。
【００４０】
また、燃焼炉の内部に向けて測定用レーザ光を照射するレーザ光源と、上記燃焼炉の内部のガスを透過した上記測定用レーザ光を検出するレーザ光検出手段と、このレーザ光検出手段の出力信号を処理することにより上記ガスの濃度等を検出する演算処理手段とを有するレーザ計測装置において、上記燃焼炉に対して上記レーザ光源の反対側に配設したレーザ光検出手段と、上記演算処理手段で所定の処理をしている間に、上記レーザ光源から出射する測定用レーザ光の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光を照射するパルスレーザ光源と、このパルスレーザ光を上記燃焼炉に対して上記パルスレーザ光源の反対側で受光して上記光軸の位置を検出する位置検出センサと、この位置検出センサの出力信号である上記パルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記レーザ光検出手段との相対的な位置関係が常に一定になるように両者の位置関係を調整する光軸調節手段とを有するので、測定用レーザ光による所定のガスの濃度等の検出に何ら影響を与えることなく、光軸調節用として特化したパルスレーザ光で測定用レーザ光の光軸を常に一定に保持することができる。この結果、燃焼炉の熱伸び、振動等が発生しても計測の長期安定性及び高信頼性を確保することができる。また、測定用レーザ光は検出対象であるガスに応じて決まる特定の波長の厳密性が要求されるのに対し、光軸ロック用のパルスレーザ光には波長の厳密性は要求されない代わりに比較的大きな光強度を有するものであることが要求される。パルスレーザ光は位置検出センサでその光軸の位置を検出することができれば良いので、特定の狭帯域の波長のレーザ光である必要はないが、光路の途中の環境に影響されることなく位置検出センサで確実にその光軸が検出されることが必要であるからである。
【００４１】
ここで、単一モードの波長のレーザ光を所定の狭帯域に収めて照射しなければならないレーザ光源は、一般に高価であり、その出射レーザ光の光強度が大きくなればそれだけ高価なものとなる。これに対し、パルスレーザ光は位置検出センサでその光軸の位置を検出することができれば良いので、特定の狭帯域の波長のレーザ光である必要はない。したがって、パルスレーザ光源は安価に構成することができる。この結果、測定用のレーザ光源と光軸ロック用のパルスレーザ光源とに要求される条件を満足するためのレーザ光源の選択が容易になり、コスト等を勘案して合理的で低廉なシステムを構築することができる。
【００４２】
〔請求項１〕に記載する発明は、燃焼炉の内部に向けて測定用レーザ光を照射するレーザ光源と、上記燃焼炉の内部のガスを透過した上記測定用レーザ光を検出するレーザ光検出手段と、このレーザ光検出手段の出力信号を処理することにより上記ガスの濃度等を検出する演算処理手段とを有するレーザ計測装置において、燃焼炉に対して上記レーザ光源の反対側に配設したハーフミラーと、このハーフミラーで反射され、再度燃焼炉の内部のガスを透過した測定用レーザ光を検出するよう、燃焼炉に対して上記レーザ光源と同じ側に配設したレーザ光検出手段と、上記演算処理手段で所定の処理をしている間に、上記レーザ光源から出射する測定用レーザ光の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光を照射するパルスレーザ光源と、上記パルスレーザ光のうちハーフミラーを透過するパルスレーザ光を受光して上記光軸の位置を検出する第１の位置検出センサと、上記パルスレーザ光のうちハーフミラーで反射されたパルスレーザ光を、上記パルスレーザ光源と同じ側で受光して上記光軸の位置を検出する第２の位置検出センサと、上記第１の位置検出センサの出力信号である上記パルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記第１の位置検出センサとの相対的な位置関係が所定の位置関係になるように両者の相対的な位置を調節するとともに、かかる状態で上記第２の位置検出センサの出力信号である上記ハーフミラーで反射されたパルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記レーザ光検出手段との相対的な位置関係が一定になるように上記ハーフミラーの反射面の角度を調整する制御部とを有するので、測定用レーザ光は燃焼炉内を往復した後、レーザ検出手段で検出される。すなわち、上述した構成の場合よりも、より長い光路での測定用レーザ光の減衰を測定することになる。この結果、上述した構成と同様の効果を確保した上で、上述した構成よりも、より高精度の測定を行うことができる。
【００４３】
〔請求項２〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載するレーザ計測装置を複数対備えて、燃焼炉の複数箇所のガスの濃度等を検出するようにしたので、燃焼炉の複数の領域におけるガスの濃度等を一度に検出することができるが、この検出に際し、〔請求項１〕に記載する発明と同様の効果を奏する。
【００４４】
〔請求項３〕に記載する発明は、〔請求項２〕に記載するレーザ計測システムにおいて、レーザ光源及びレーザ光検出手段は一個で形成し、一個のレーザ光源から光路数に応じて分割した複数本の測定用レーザ光を燃焼炉内に照射するとともに、レーザ光検出手段では、或る時間に特定の一本の測定用レーザ光のみが検出されるよう、各レーザ光を受光する時間を時分割して順次取り込むようにしたので、〔請求項２〕に記載する発明の効果を一個のレーザ光源及び一個のレーザ光検出手段で奏することができる。この結果、システム構成が簡単になり、コストの可及的な低減を図ることもできる。ちなみに、測定用レーザ光を照射するレーザ光源及びレーザ光検出手段が当該システム中で最も高価な構成要素となっている。
【００４５】
〔請求項４〕に記載する発明は、〔請求項３〕に記載するレーザ計測システムにおいて、レーザ光源から出射する測定用レーザ光は、ファイバスプリッタを用いた分岐手段で所定の本数に分岐するとともに、分岐した各測定用レーザ光はシングルモードの光ファイバを用いてそれぞれ燃焼炉の所定位置に導き、さらに上記ファイバスプリッタにおける上記光ファイバの接続部では相対向する光ファイバの端面を斜めに切断したので、狭帯域の単一モードレーザ光である測定用レーザ光を散乱させることなく良好に燃焼炉内に照射することができる。
【００４６】
〔請求項５〕に記載する発明は、〔請求項３〕又は〔請求項４〕に記載するレーザ計測システムにおいて、レーザ光検出手段において特定の一本の測定用レーザ光を検出している以外の時間に、この測定用レーザ光と光軸を共有するパルスレーザ光を照射するようにしたので、測定用レーザ光による所定の測定がパルスレーザ光の影響を受けることはなく、ガス濃度等の測定及び光軸ロックを、他に影響を与えることなくそれぞれ独立に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を概念的に示す説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を概念的に示す説明図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を概念的に示す説明図である。
【図４】上記第３の実施の形態における４本のレーザ光の検出手順を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ 燃焼炉
１ａ 炉壁
２ レーザ光源
３ 測定用レーザ光
６ レーザ光検出器
８ 演算処理装置
９ パルスレーザ光源
１０ パルスレーザ光
１１ 位置検出センサ
１２ 光軸調節部
１６ レーザ光検出器
１７ ハーフミラー
１８ 演算処理装置
２１ 位置検出センサ
２６ 位置検出センサ
３−１，３−２，３−３，３−４ 測定用レーザ光
９−１，９−２，９−３，９−４ パルスレーザ光源
１０−１，１０−２，１０−３，１０−４ パルスレーザ光源
１１−１，１１−２，１１−３，１１−４ 位置検出センサ
１２−１，１２−２，１２−３，１２−４ 光軸調節部
４７ シグナル切替器
Claims (5)
- 燃焼炉の内部に向けて測定用レーザ光を照射するレーザ光源と、上記燃焼炉の内部のガスを透過した上記測定用レーザ光を検出するレーザ光検出手段と、このレーザ光検出手段の出力信号を処理することにより上記ガスの濃度等を検出する演算処理手段とを有するレーザ計測装置において、
燃焼炉に対して上記レーザ光源の反対側に配設したハーフミラーと、
このハーフミラーで反射され、再度燃焼炉の内部のガスを透過した測定用レーザ光を検出するよう、燃焼炉に対して上記レーザ光源と同じ側に配設したレーザ光検出手段と、
上記演算処理手段で所定の処理をしている間に、上記レーザ光源から出射する測定用レーザ光の光軸と一致する光軸ロック用のパルスレーザ光を照射するパルスレーザ光源と、
上記パルスレーザ光のうちハーフミラーを透過するパルスレーザ光を受光して上記光軸の位置を検出する第１の位置検出センサと、
上記パルスレーザ光のうちハーフミラーで反射されたパルスレーザ光を、上記パルスレーザ光源と同じ側で受光して上記光軸の位置を検出する第２の位置検出センサと、
上記第１の位置検出センサの出力信号である上記パルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記第１の位置検出センサとの相対的な位置関係が所定の位置関係になるように両者の相対的な位置を調節するとともに、かかる状態で上記第２の位置検出センサの出力信号である上記ハーフミラーで反射されたパルスレーザ光の光軸の位置情報に基づきこの光軸と上記レーザ光検出手段との相対的な位置関係が一定になるように上記ハーフミラーの反射面の角度を調整する制御部とを有することを特徴とするレーザ計測装置。 - 〔請求項１〕に記載するレーザ計測装置を複数対備えて、燃焼炉の複数箇所のガスの濃度等を検出するようにしたことを特徴とするレーザ計測システム。
- 〔請求項２〕に記載するレーザ計測システムにおいて、
レーザ光源及びレーザ光検出手段は一個で形成し、一個のレーザ光源から光路数に応じて分割した複数本の測定用レーザ光を燃焼炉内に照射するとともに、レーザ光検出手段では、或る時間に特定の一本の測定用レーザ光のみが検出されるよう、各レーザ光を受光する時間を時分割して順次取り込むようにしたことを特徴とするレーザ計測システム。 - 〔請求項３〕に記載するレーザ計測システムにおいて、
レーザ光源から出射する測定用レーザ光は、ファイバスプリッタを用いた分岐手段で所定の本数に分岐するとともに、分岐した各測定用レーザ光はシングルモードの光ファイバを用いてそれぞれ燃焼炉の所定位置に導き、さらに上記ファイバスプリッタにおける上記光ファイバの接続部では相対向する光ファイバの端面を斜めに切断したことを特徴とするレーザ計測システム。 - 〔請求項３〕又は〔請求項４〕に記載するレーザ計測システムにおいて、
レーザ光検出手段において特定の一本の測定用レーザ光を検出している以外の時間に、この測定用レーザ光と光軸を共有するパルスレーザ光を照射するようにしたことを特徴とするレーザ計測システム。
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